一种级联结构的LiNbO<sub>3<sub>波导电光模数转换方法

专利名称：一种级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域和集成光波导器件领域，他特别涉及到级联结构的LiNb03 波导电光模数转换方法的研究。
背景技术：
模数转换器(ADC)是一种将模拟信号转换为数字信号的器件。模数转换过程一般分为 取样、保持、量化、编码四个步骤。采样速率和分辨率是衡量模数转换器(ADC)的性能两 个最重要的参数。
一般衡量模数转换器(ADC)的性能主要是由采样速率和分辨率这两个最重要的参数决 定的。采样速率主要由A/D转换器的采样时间决定,常用单位是KS/s和MS/s。分辩率又称 精度，通常以数字信号的位数来表示，位数越高分辨率越大。模数转换器作为连接模拟与数 字世界的桥梁，在高速信号处理领域，尤其是在宽带雷达、电子侦探、电子对抗、核武器监 控、扩频通信等信息处理系统中都要求达到GS/s以上高转换速率和高比特的转换精度。
现在，模数转换器从技术上可以分为三种，即电子半导体模数转换器、超导材料模数转 换器和光学模数转换器。超导材料模数转换器对环境要求高，需要超低温工作环境，因此使 用范围受到限制。对于目前广泛使用的电子模数转换器，由于载流子迁移率有限，因而难以 获得数十GS/s的采样速率和高的有效精度。近年来的高速的电子ADC产品，其性能均低于 10GS/s， 1 Obits (见文献R. H. Walden, Analog-to-digital converter survey and analysis, J. Select. Areas Commun., Vol.17, 539-550(1999))，很难满足微波信号数字化的电子要求，成为限制高 速信号处理领域的瓶颈。因此,要实现对高速信号的模数转换,就必须寻求新的突破。
基于上述理由，引入了光学模数转换技术以及如今的光电混合方式的模数转换技术。光 电模数转换器一般分为光时分复用ADC、光波分复用ADC、时域展宽电光ADC以及相位编 码ADC。
光时分复用ADC，利用光时分复用OTDM技术使不同时序的采样光脉冲解复用，分别 进入平行的多个量化通道，每个量化通道中用一个低速的电ADC进行模数转换，这样既可以 降低对电ADC的要求同时也保证了高的量化精度。2001年P.Joudawl ki s及J.C.Twi chell采 用此方法，应用8个63MS/s， 14bits的电ADC获得总体505MS/s， 8.2bits的效果。(见文献 Paul. W. Juodawlkis， J. C. Twichell， etc. Optically sampled analog-to-digital converter J.IEEE Transactionson microwave theory and techniques,2001 ,vol.49(10): 1840-1852 )
光波分复用ADC，利用波分复用OWDM技术，其思路同光时分复用ADC基本一致， 不同的是将N个波长的采样光脉冲安排在不同的时序上，被调制的光脉冲序列经光波分解复 用后分成N路波长通道，再经过电检测、量化输出。1999年A,S.Bhushan及F.Coppinge等人 采用宽光谱光源及光线色散来产生连续的光载波，经过RF信号调制后用带有延时反馈AWG 选出N个不同波长的已采样光脉冲安排在不同时序和不同的通道中，构成了波分复用电光 ADC (见文献A.S.Bhushan,F.Coppinger and B.jalali. Nondispersive wavelength-division sampling Optics letters,1999,vol.24,(ll):738-740)
5脉冲时域展宽ADC，针对高频率模拟信号，在信号调制到采样光脉冲上后，利用色散元 件将光脉冲在时域上展宽，然后利用OTDM或者OWDM技术量化。这样可以降低对电ADC 釆样速率的要求，使整个系统的采样频率提高N倍。1998年A.S.Bhushan及F.Coppinger等 人利用此技术结合波分复用使电光ADC采样速率进一步提高到150GS/s。(见文献 A.S.Bhushan,F.Coppinger and B.jalali. 150G samples/s wavelength division sampler with time-stretched output J.Electron丄ett,1998,vo1.34, (5):474-475)
相位调制ADC有别于前三个系统，它是直接在光学领域将调制信号量化，省去了定时同 步的麻烦。突出的优点在于可以用集成光波导器件(如M-Z结构和F-P结构的集成光波导调 制器)在光学领域完成调制信号的量化，更利于系统小型化、器件化。
相位调制ADC是利用光通过电光晶体的相位改变与调制电压^的线性关系，通过检测 光信号的相位变化量来量化调制电压R 。此方法是由泰勒1975年提出的利用调制电压K 与光信号相位改变量的线性关系，发展了相位编码光采样技术直接将信号在光域中量化。
但是，泰勒方案在提高转化精度上受到器件参数的限制，它要求强度调制器电极长度随 位数指数增加，因此采用泰勒方案设计一个5bit光电模数转化器需要电极长度达到基本长度 的16倍，使得采用泰勒方案设计高精度的电光模数转换器十分困难。同时，由于电极长度的 指数增加也使得光脉冲的渡越时间延长，从而限制了最高调制信号的频率。
总之，目前模数转换器的发展方向就是提高转换精度的同时提高采样速率，而目前电子 ADC已经跟不上高速的数字信号处理的发展速度，因此需要发展光电ADC，同时克服光电 ADC对于器件要求复杂和难以小型化的困难。

发明内容
本发明的目的是提供一种级联结构的LiNb03波导电光模数转换方法，它具有高的采样速 率和精度，同时又克服了泰勒方案对采样精度的限制。
为了方便地描述本发明的内容，首先做术语定义
定义1级联Wl-Z强度调制器的输出光强函数
Mach-Zehnder(M-Z)强度调制器的工作过程是输入光波经一个Y分支器3dB分束 后输入两个直波导，通过在电光效应作用下的两个直波导传输后，再经3dB合束器输 出。单个两臂对称的LiNb03波导M-Z强度调制器，在调制电压K"的作用下，由于电 光效应改变了波导折射率，使输入光波在M-Z强度调制器两臂中传输产生相位差为
其中，F,"是外加信号电压，K为调制器的半波电压，￡为调制电极长度，G为调制电极 与接地电极间距，ne为非寻常光折射率，Y33是电光系数，Y33=30.8pm/V。
因此，在不考虑损耗的情况下，LiNb03波导M-Z强度调制器的输出光强随调制电压 变化关系如下(见教材姚建铨，于意仲等，光电子技术，高等教育出版社2006.5， P294-295):
<formula>formula see original document page 6</formula>根据单个M-Z强度调制器的输出来确定n个M-Z强度调制器级联输出。将两个M-Z强 度调制器进行级联，级联方式如图l所示。输入光波经过第一个M-Z强度调制器后输出光强 表达式为
<formula>formula see original document page 7</formula>
将第一个M-Z强度调制器的输出光作为第二个M-Z强度调制器的输入，在相同调制电 压J^的调制下，其输出光强为
<formula>formula see original document page 7</formula>
同理，在相同调制电压4的作用下，n个级联的M-Z强度调制器的输出光强为
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，/e表示激光器输入光强的幅值。
定义2半波电压
使M-Z强度调制器两臂上的光波产生相位差Acp:7i所需的电压称为"半波电压"，记为 k。当调制电压为p;时，由(3)式可知M-Z强度调制器的输出光强度为极小值；并且，当
外加电压每变化一个k，被调制的光强/发生一次从极小到极大的变化。
定义3格雷码
格雷码是一种绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补 码。它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得 求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。(见教材赵宏波， 卜益民，陈凤娟，现代通信技术概论，北京邮电大学出版社2003.8， P31)
本发明提供了一种级联结构的LiNb03波导电光模数转换方法，其特征包括以下几个步
骤
步骤1器件的选择
本发明提出的级联结构的LiNb03波导电光模数转换方法中使用到的M-Z强度调制器的 半波电压均一致，为k(见定义二)。本发明使用的Y分支器均为3dB分束。结构示意图如 图2所示。
步骤2第一位的参数设置及光强输出
步骤2a从锁模激光器发出的采样光脉冲经过Y分支器平均分为两路后，其中第一路光 进入本级M-Z强度调制器，被M-Z强度调制器强度调制后，其输出光强作为电光模数转换 的第一位输出；第二路光作为第二位的输入，直接进入第二级M-Z强度调制器阵列。
步骤2b本级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb产-0.5V^根据(3)式(见定 义一)，得到电光模数转换的第一位的输出光强/,/。cos2(^^--) (6) 步骤3第二位的参数设置及光强输出
步骤3a步骤2a中经过Y分支器分出的第二路光进入第二级的M-Z强度调制器进行强 度调制后，输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第二位 输出；第二路光作为第三位的输入。
步骤3b第二级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb2=0，根据(3)式(见定义 一)，得到电光模数转换的第二位的输出光强
步骤4第三位的参数设置及光强输出
步骤4a把步骤3a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大4倍后，进入第三级 M-Z强度调制器进行强度调制。
步骤4b第三级M-Z强度调制器输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作 为电光模数转换的第三位输出；第二路光作为第四位的输入。
步骤4c第三级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb3^V^根据定义一，得到电 光模数转换的第三位的输出光强
A = 4/2 cos2 + 二) = / sin2 (2. ~~(8)
3 2 、2^2 。 2r/
步骤5第四位的参数设置及光强输出
步骤5a使用两个M-Z强度调制器级联构成第四级M-Z强度调制器阵列。
步骤5b把步骤4a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大16倍后，进入第四 级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。
步骤5c第四级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路 光作为电光模数转换的第四位输出；第二路光作为第五位的输入。
步骤5d第四级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为 V^二-0.5V^第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vm2二0.5Vp根据定义一，得 到电光模数转换的第四位的输出光强
/4 =16/3cos2(^- os2(^^ + !) = /0sin2(4.^^) (9) 42f;4 。 2&
步骤6第五位的参数设置及光强输出
步骤6a使用四个M-Z强度调制器级联构成第五级M-Z强度调制器阵列。 步骤6b把步骤5a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大256倍后，进入第五 级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。
步骤6c第五级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第五位输出；第二路光作为第六位的输入。
步骤6d第五级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为 Vb5!二0,25V^第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb52二-0.25V^第三个M-Z强 度调制器的直流偏置电压设置为Vb53二0.75V^第四个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置 为Vb54=-0.75V7t。根据定义一，得到电光模数转换的第五位的输出光强
= 256L cos^ (~^ + —) cos' (~^——)cos' (~^ + —) cos' (~^--)
5 4 2J^8 82J^8 2J^ 8
=/ sin2(8-^) 2F'
(10)
步骤7第n(n〉3)位的参数设置及光强输出
步骤7a使用2n—3个M-Z强度调制器级联构成第n级M-Z强度调制器阵列。
步骤7b把第n-l级Y分支器分出的第二路光用光放大器放大22"倍后，进入第n级M-Z
强度调制器阵列进行强度调制，其输出光强作为电光模数转换的第n位输出。
步骤7c第n级M-Z强度调制器阵列中使用2n—3个M-Z强度调制器，第m个M-Z强度
调制器的输入直流偏置电压为
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，m表示第n级M-Z强度调制器阵列中的第m个M-Z强度调制器m=l，2，3，-
(11) .，2n-3，
根据定义-
，士(2^-l)中的任意一个，且不能重复。 得到电光模数转换的第n位的输出光强
<formula>formula see original document page 9</formula>
(12)
步骤8数字信号输出
步骤8a根据步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d和步骤7c得到n bit的LiNb03 波导电光模数转换对应位的输出光强函数。
步骤8b将光阈值设置为光脉冲强度的1/2，与步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步 骤6d和步骤7c得到的各位输出光强进行比较，得到nbit的光采样的相位编码。
步骤8c把电子比较器的门限电压设为与光脉冲强度的1/2对应的电压值；把由步骤2b、 步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到的输出光强经光电转换为电压信号，与比 较器门限电压比较，得到对应的数字信号输出，从而完成nbit的模数转换，输出码型为格雷 码(见定义三)。
经过以上步骤就完成了基于M-Z强度调制器级联的LiNb03波导电光模数转换，对应的结构示意图如图2所示。
本发明提出的级联结构的LiNb03波导电光模数转换方法的工作过程是(如图3所示) 高速的锁模激光器产生的高重频的、强度稳定的光脉冲作为采样光脉冲；经过Y分支器分束 后，采样光脉冲分别进入由级联M-Z强度调制器阵列组成的采样器，利用级联M-Z强度调 制器阵列的电光调制作用，获得电压信号的光采样；光采样信号经光电转换变为电压采样信 号后，输入比较器与门限电压比较，比较器就输出与输入模拟电压相应的数字编码，从而完 成电光模数转换。
本发明的实质就是通过设置M-Z强度调制器阵列中级联的M-Z强度调制器个数和直流偏置， 从而获得对应位的输出光强函数；通过多个级联M-Z强度调制器阵列的配合和光阈值的设置 得到电光模数转换的相位编码，从而在光域内完成了光采样的相位编码；再经光电转换，比 较获得该相位编码，从而实现电光模数转换。
本发明的优点或积极的效果-
本发明提出的级联结构的LiNb03波导M-Z强度调制器阵列电光模数转换方法，通过增 加级联的强度调制器阵列的个数来提高模数转换的精度，克服了泰勒方案调制器电极长度随 位数增加指数增长对采样精度的限制，另一方面，又继承了光采样的高采样速率的特点，因 而具有高采样精度和高采样速率的特点。


图1是两个M-Z强度调制器级联示意图。
图2是n位级联结构的LiNb03波导电光模数转换结构示意图。
其中，1是Y分支器，2是M-Z强度调制器，3是4倍光放大器，4是16倍光放大器，5 是256倍光放大器，6是22"_2倍光放大器，7是M-Z强度调制器的射频输入电极，8是M-Z 强度调制器的偏置电极。
图3是级联结构的LiNb03波导电光模数转换方法的工作过程示意图。
图4是5位级联结构的LiNb03波导电光模数转换结构示意图。
其中，1是Y分支器，2是M-Z强度调制器，3是4倍光放大器，4是16倍光放大器，5 是256倍光放大器，6是M-Z强度调制器的射频输入电极，7是M-Z强度调制器的偏置电极。 图5是5位级联结构的LiNb03波导电光模数转换的光采样的相位编码。
其中，l是输出光强函数曲线，2是光阈值，3是数字信号
具体实施例方式
以5bit电光模数转换为例，来证明本发明提出的级联结构的LiNb03波导电光模数转换方 法是可行的。
步骤1器件的选择
选择半波电压V =2 V的M-Z强度调制器作为构成各级强度调制阵列的单元器件。选择 的Y分支器均为3dB分束。其结构如图4所示。 步骤2第一位的参数设置及光强输出
10步骤2a从锁模激光器发出的采样光脉冲经过Y分支器平均分为两路后，其中第一路光 进入本级M-Z强度调制器，被M-Z强度调制器强度调制，其输出光强作为电光模数转换的 第一位输出。第二路光作为第二位的输入，直接进入第二级M-Z强度调制器阵列。
步骤2b本级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vw二-lV，根据式G)(见定义一)，
得到电光模数转换的第一位的输出光强
^ r 2,《 ；r、 "cos (f -7)
其中，/。是激光器输入光强。
步骤3第二位的参数设置及光强输出
步骤3a步骤2a中经过Y分支器分出的第一路光进入第二级的M-Z强度调制器进行强 度调制后，输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第二位 输出；第二路光作为第三位的输入。
步骤3b第二级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb2=0，根据定义一，得到电光 模数转换的第二位的输出光强
20 、 4 / 步骤4第三位的参数设置及光强输出
步骤4a把步骤3a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大4倍后，进入第三级 M-Z强度调制器进行强度调制。
步骤4b第三级M-Z强度调制器输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作 为电光模数转换的第三位输出；第二路光作为第四位的输入。
步骤4c第三级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb3=2V，根据定义一，得到电 光模数转换的第三位的输出的光强
/3 = 4/2 cos2 += sin2 3 2 、4 2 c 2
步骤5第四位的参数设置及光强输出
步骤5a使用两个M-Z强度调制器级联构成第四级M-Z强度调制器阵列。
步骤5b把步骤4a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大16倍后，进入第四 级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。
步骤5c第四级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路 光作为电光模数转换的第四位输出；第二路光作为第五位的输入。
步骤5d第四级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为 Vb41=-lV;第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb42=lV。根据定义一，得到电 光模数转换的第四位的输出光强
/4 = 16/3 cos2 (， - ;) cos2 (， +》=/。 sin2 (《)
步骤6第五位的参数设置及光强输出
步骤6a使用四个M-Z强度调制器级联构成第五级M-Z强度调制器阵列。步骤6b把步骤5a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大256倍后，进入第五 级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。
步骤6c第五级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为 Vb51 = 1.5V;第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb52=-0.5V;第三个M-Z强度调 制器的直流偏置电压设置为Vb53 = -1.5V;第四个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb54 =0.5V。根据定义一，得到电光模数转换的第五位的输出光强
A = 256L cos' (~^ + —) cos' (~^——)(W (~^--) cos' (~^ + —)
5 4 4 8 4 8 4 8 4 8
=/0sin2(2-《) 步骤7数字信号输出
步骤7a根据步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d和步骤6c得到5bit级联结构的LiNb03 波导电光模数转换对应位的输出光强函数。
步骤7b将光阈值设置为光脉冲强度的1/2，与步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d和步 骤6c得到的各位输出光强进行比较，得到5bit的光釆样的相位编码，如图5所示。
步骤7c把电子比较器的门限电压设为与光脉冲强度的1/2对应的电压值；把由步骤2b、 步骤3b、步骤4c、步骤5d和步骤6c得到的输出光强经光电转换为电压信号，与比较器门限 电压比较，得到对应的数字信号输出，从而完成5bit的模数转换，输出码型为格雷码(见定 义三)。
经过以上步骤就完成了 5bit级联结构的LiNb03波导电光模数转换。
从具体方法上来看，本产品的设计方法优于已公知的泰勒电极加倍方案，对于5bit级联 结构的LiNb03波导电光模数转换，本发明用8个M-Z强度调制器级联阵列取代单个电极长 度为基本长度16倍的M-Z强度调制器实现第五位的模数转换，因此在器件的选择上更方便， 更易于构建高精度的模数转换器。本发明在性能方面也优于现有的光电模数转化方案。特别 是采用锁模激光器作为激光源，可以使系统的定时抖动减小到10fs以下，采样速率大于 10GS/s，在保证一定精度的前提下大大的调高了采样速率。因此，本发明提出的级联结构的 LiNb03波导电光模数转换方法有望在高速的信息处理领域得到应用，为高速信号的数字化提 供推动作用，具有广泛的应用前景。
权利要求
1、一种级联结构的LiNbO3波导电光模数转换方法，其特征是它包含以下步骤步骤1器件的选择本发明提出的级联结构的LiNbO3波导电光模数转换方法中使用的M-Z强度调制器的半波电压均一致，为Vπ；本发明使用的Y分支器均为3dB分束。步骤2第一位的参数设置及光强输出步骤2a从锁模激光器发出的采样光脉冲经过Y分支器平均分为两路后，其中第一路光进入本级M-Z强度调制器，被M-Z强度调制器强度调制后，其输出光强作为电光模数转换的第一位输出；第二路光作为第二位的输入，直接进入第二级M-Z强度调制器阵列。步骤2b本级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb1＝-0.5Vπ，得到电光模数转换的第一位的输出光强<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步骤3第二位的参数设置及光强输出步骤3a步骤2a中经过Y分支器分出的第二路光进入第二级的M-Z强度调制器进行强度调制后，输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第二位输出；第二路光作为第三位的输入。步骤3b第二级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb2＝0，得到电光模数转换的第二位的输出光强<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步骤4第三位的参数设置及光强输出步骤4a把步骤3a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大4倍后，进入第三级M-Z强度调制器进行强度调制。步骤4b第三级M-Z强度调制器输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第三位输出；第二路光作为第四位的输入。步骤4c第三级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb3＝Vπ，得到电光模数转换的第三位的输出的光强<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步骤5第四位的参数设置及光强输出步骤5a使用两个M-Z强度调制器级联构成第四级M-Z强度调制器阵列。步骤5b把步骤4a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大16倍后，进入第四级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。步骤5c第四级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第四位输出；第二路光作为第五位的输入。步骤5d第四级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb41＝-0.5Vπ；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb42＝0.5Vπ，得到电光模数转换的第四位的输出光强<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>16</mn><msub> <mi>I</mi> <mn>3</mn></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步骤6第五位的参数设置及光强输出步骤6a使用四个M-Z强度调制器级联构成第五级M-Z强度调制器阵列。步骤6b把步骤5a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大256倍后，进入第五级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。步骤6c第五级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第五位输出；第二路光作为第六位的输入。步骤6d第五级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb51＝0.25Vπ；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb52＝-0.25Vπ；第三个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb53＝0.75Vπ；第四个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为Vb54＝-0.75Vπ，得到电光模数转换的第五位的输出光强<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mn>256</mn><msub> <mi>I</mi> <mn>4</mn></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><mn>8</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><mn>8</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mn>3</mn> <mi>&pi;</mi></mrow><mn>8</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>&pi;</mn> <mi>&pi;</mi></mrow><mn>8</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步骤7第n(n＞3)位的参数设置及光强输出步骤7a使用2n-3个M-Z强度调制器级联构成第n级M-Z强度调制器阵列。步骤7b把第n-1级Y分支器分出的第二路光用光放大器放大 id="icf0007" file="A2009100588810003C4.tif" wi="6" he="4" top= "176" left = "141" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>倍后，进入第n级M-Z强度调制器阵列进行强度调制，其输出光强作为电光模数转换的第n位输出。步骤7c第n级M-Z强度调制器阵列中使用2n-3个M-Z强度调制器，第m个M-Z强度调制器的输入直流偏置电压为<maths id="math0007" num="0007" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>bnm</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>p</mi><msub> <mi>V</mi> <mi>&pi;</mi></msub> </mrow> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>3</mn></mrow> </msup></mfrac> </mrow>]]></math></maths>其中，m表示第n级M-Z强度调制器阵列中的第m个M-Z强度调制器m＝1，2，3，……，2n-3，p取±1，±3，±5，……，±(2n-3-1)中的任意一个，且不能重复；得到电光模数转换的第n位的输出光强<maths id="math0008" num="0008" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msup> <mn>2</mn> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup></msup><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>&pi;</mi><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mn>3</mn> <mi>&pi;</mi></mrow><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>3</mn> <mi>&pi;</mi></mrow><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0009" num="0009" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mo>[</mo><mfrac> <mrow><mi>&pi;</mi><msub> <mi>V</mi> <mi>in</mi></msub> </mrow> <mrow><mn>2</mn><msub> <mi>V</mi> <mi>&pi;</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>3</mn></mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>&pi;</mi> </mrow> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup></mfrac><mo>]</mo><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mo>[</mo><mfrac> <mrow><mi>&pi;</mi><msub> <mi>V</mi> <mi>in</mi></msub> </mrow> <mrow><mn>2</mn><msub> <mi>V</mi> <mi>&pi;</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>3</mn></mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>&pi;</mi> </mrow> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup></mfrac><mo>]</mo> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0010" num="0010" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn></msub><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac><mrow> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>&pi;</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步骤8数字信号输出步骤8a根据步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到n bit的LiNbO3波导电光模数转换对应位的输出光强函数。步骤8b将光阈值设置为光脉冲强度的1/2，与步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到的各位输出光强进行比较，得到nbit的光采样的相位编码。步骤8c把电子比较器的门限电压设为与光脉冲强度的1/2对应的电压值；把由步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到的输出光强经光电转换为电压信号，与比较器门限电压比较，得到对应的数字信号输出，从而完成nbit的模数转换，输出码型为格雷码。
全文摘要
本发明提供了一种基于级联LiNbO₃波导M-Z强度调制器阵列的电光模数转换方法，它是通过设置级联M-Z强度调制器阵列中的M-Z强度调制器个数和直流偏置，从而获得对应位的输出光强函数；在级联M-Z强度调制器阵列的各个M-Z调制器上施加相同的调制信号电压，对采样光脉冲进行强度调制，从而获得调制信号的光采样；通过光阈值的设置来获得采样光脉冲的相位编码，再经光电转换和比较获得该相位编码，从而实现电光模数转换。本发明提出的级联LiNbO₃波导M-Z强度调制器阵列电光模数转换方法，通过增加级联的强度调制器阵列的个数来提高模数转换的精度，克服了泰勒方案对采样精度的限制，这种限制主要是由于调制器电极长度随位数增加指数增长而导致的。另一方面，又继承了光采样的高采样速率的特点，因而具有高采样精度和高采样速率的特点。
文档编号G02F7/00GK101630106SQ20091005888
公开日2010年1月20日 申请日期2009年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者永 刘, 刘永智, 周晓丽, 张尚剑, 张谦述, 戴基智, 李和平, 杨亚培, 段嫔香 申请人:电子科技大学